一階常微分方程與定性理論
微分方程的次數(degree)
階告訴你求導有多深;次數是它的搭檔標籤,告訴你最高階導數以多麼非線性的方式進入方程。若說階是一棟樓蓋到第幾層,次數大致就是頂層是什麼形狀。兩者合起來正是描述一個方程的經典開場白:「一階一次」之類。
次數只有在方程被清除掉導數的分數冪和無理冪之後才有定義——即寫成關於各導數的多項式形式。這時次數就是最高階導數被升到的冪次。於是 dy/dx = x + y 是一次的;(dy/dx)^2 + y = 0 是二次的;而 d^2y/dx^2 + (dy/dx)^3 = x 是一次的(最高階導數即二階導數是一次冪——那個立方在更低階的導數上,不算)。若方程根本無法寫成這樣的多項式——比如 dy/dx = sin(dy/dx),或導數被裝進了一個非多項式函數裡——則次數無定義。
實踐中,次數遠不如階那麼吃重,做分析的人很少用得到它。它主要用於乾淨的分類,以及一個誠實的事實:一個對所有導數都是一次的方程,唯有當係數不含 y 時才恰好是線性方程。一次是線性的必要而非充分條件——這正是為什麼「線性與非線性」被當作一個獨立的、更有用的區分來對待。
克萊羅方程 y = x*(dy/dx) + (dy/dx)^2 是一階的(只有 dy/dx)但二次的(該導數被平方了)。程函型關係 (dy/dx)^2 = 1 + y 同樣是一階二次。
階與次數相互獨立:一個方程可以低階卻高次。
定義次數前必須先把方程化為關於導數的多項式;若做不到——比如導數被裝在 sin、log 裡,或藏在無法清除的非完全根號下——次數就乾脆無定義,不必強求。
又稱
另見